多波及横波地震勘探方法原理.ppt

油气与固体矿产新方法 地震勘探 第五讲 多波及横波地震勘探 常规地震勘探是利用单一的纵波进行勘探 如纵波勘探 利用P波 横波勘探 利用S波 多波勘探是指不仅利用纵波 还利用横波 转换波进行勘探 以提供有关地质 油气藏更多的信息 解决单一纵波勘探所不能解决的问题 如 P P SV联合 P P SV SH联合 P SH联合 油气与固体矿产新方法 地震勘探 近年来 由于勘探目标区的复杂程度大大增加 油田开发的难度也日益增大 国内外都在研究利用多波勘探 多波勘探是近年来发展较快的新勘探方法之一 由于采用的三分量检波器记录 不仅记录Z分量 同时记录X分量和y分量 且震源也可以沿X y Z三个方向激发 这样在地震记录上就得到了更丰富的信息 不仅可以研究岩性 还可以研究地下介质的裂缝特性 为石油天然气的精细勘探和开发服务 油气与固体矿产新方法 地震勘探 思考题 1 横波有哪些特点 2 横波双折射的概念 3 已知震源子波偏振方向 给定检波器最大灵敏度方向下所能观测到何种类型的波 4 横波有哪些应用 一 基本原理二 资料采集三 资料处理四 资料解释和应用五 思考题参考答案 多波地震勘探 物探新方法技术 地震勘探 一 多波勘探的基本原理 研究人工激发弹性波 一 地震波的种类及特点 纵波 横波及转换波 1 纵波 从地震波动力学中已知 地震波在弹性介质中会产生两种波 一种是在介质中质点振动方向与波的传播方向一致的纵波 其传播速度 一 多波勘探的基本原理 一 地震波的种类及特点 2 横波 另一种是介质中质点振动的方向与波传播的方向相互垂直的横波 其传播速度为 一 多波勘探的基本原理 一 地震波的种类及特点又有两种横波 SH波 是质点在水平面内振动的横波 水平偏振横波 波在射线平面以内传播 质点的振动在垂直于射线平面的水平面内振动 y方向 水平检波器沿Y方向布置 一 基本原理 一 地震波的种类及特点SV波 是指在包括射线的铅垂面内振动的横波 也叫垂直偏振横波 SV波 即质点振动和波的传播射线都在通过测线的铅垂平面内 水平检波器沿X方向布置 这两种横波偶合在一起 所以横波具有极化性 因此 两种横波对应着两种勘探即SV波勘探和SH波勘探 一 多波勘探的基本原理 一 地震波的种类及特点 3 转换波 当存在一个半无限弹性介质的分界面时 入射一个纵波 会产生四种波 即反射纵波 反射横波 透射纵波 透射横波 这时的反射横波不是由横波震源产生的 而是由入射纵波转换产生的 所以叫转换波 一 多波勘探的基本原理 一 地震波的种类及特点 3 转换波 当入射波为P波或SV波时 就可产生同类的反射波 P P SV SV波 和透射波 也可产生不同类的反射波和透射波 称为转换波 p SV SV P 如图 7 4 1 所示 P SV波 如当入射为纵波时 反射波可以为纵波P波和反射横波 即SV波 这种波到达地面为SV波 所以接收方向与纯SV波一样 P SV波 入射 反射路径不对称 速度也不相同 所以处理 识别都有一定难度 但由于它产生容易 不需特别装置 且可以提取出纵 横波速度 所以勘探中使用也较多 同时也产生透射的纵波和横波 SV P波 如当入射为SV横波时 反射波可以为横波 也可以为P波 也可一产生透射横波和纵波 有一定入射角 一 多波勘探的基本原理 一 地震波的种类及特点SH SH 当入射波为SH波时 只产生同类的反波和透射波 而不发生波形的转换 是所谓自生波 autonomous 这是因为SH波的振动方向决定了它无法线分量 它只有一个位移分量 一个应力分量 反射SH波和透射SH波就能满足SH波场的位移和应力连续 这就是说 在水平分界面上SH波是自我连续的 P2页土1 1 2同类波和转换波 这样可以简化野外和室内工作 因此在横波勘探中多采用SH波 一 多波勘探的基本原理 一 地震波的种类及特点在弹性分界面附近还存在着面波 在自由表明 可存在瑞雷面波 R波 其质点的运动轨迹可由两个相位差为 2 振动比为2 3的相互垂直的振动合成 在波传播平面内是一个逆时针旋转的椭圆 为椭圆激化 质点振动幅度随深度的增加而减小 在一个波长的深度就基本 消失 了 可以说R波指存在地下一个波长的范围内 它的速度于介质泊松比有关 VR K Vs 越大 VR越接近Vs 当 0 25时 K 0 92一般情况下VR稍小于横波速度Vs 瑞雷面波具有低频的特点 虽然在均匀介质的自由表明时无波散现象 由于存在低速带时存在波散 所以在地震图像上常出现扫状干扰带 一 多波勘探的基本原理 一 地震波的种类及特点勒夫波 存在于低速带与介质分界面上的面波 SH型面波 它的速度介于上下介质横波速之间 勒夫波 L 具有波散特性 其质点振动方向与波的传播方向垂直 在自由表面上 Z 0 X和Y方向位移为零 只有Y方向位移沿X方向传播 图1 1 3 质点振动幅度随深度面迅速衰减 在SH型横波勘探中L波可能形成干扰 但也可以利用其波散特点求得横波静校正参数 一 基本原理 一 地震波的种类及特点 3 转换波 它无需用横波震源 利用纵波震源 采用三分量检波器记录 就可以得到转换反射横波 利用这些方法进行勘探叫转换波反射法勘探 它大大地节省了野外施工的成本和减少了施工的难度 因为纵波震源比横波震源简易得多 转换波不同于纵波的特点在于其射线路径是不对称的 其处理应有独特的方法 一 基本原理 三 弹性波在分界面上的反射和透射 一 基本原理 四 反射波的运动学特征1 一个分界面的反射波时距关系1 水平界面反射纵波的时距曲线 1 一个分界面的反射波时距关系 2 倾斜平界面反射纵波的时距曲线设界面倾角为 炮点深度为h 这时距曲线方程 是一条双曲线 极小点向上倾方向偏移 不对称于炮点 一 基本原理 3 水平界面SH 或SV 横波反射波的时距曲线tos为横波的炮点双程垂直旅行时 是双曲线 一 基本原理 4 倾斜平界面SH 或SV 横波反射波的时距曲线 tos为横波的双程垂直旅行时 是双曲线 一 基本原理 5 水平反射面上的转换波 P SV波 的时距曲线tpo h Vp为纵波的单程垂直旅行时 tso h Vs为横波的单程垂直旅行时 由于 在一定条件下近似为一条双曲线 6 倾斜反射面上的P SV波的时距曲线 一 基本原理 6 倾斜反射面上的P SV波的时距曲线参数方程 利用Snell定律将x和t式用射线参数p表示 然后用二项式展开 取前两项近似 两式分别平方 去掉p的高次项 最后得到近似式是一条二次曲线 这是一条二次曲线 但不能向水平界面那样可近似为双曲线或抛物线 一 基本原理 2 复合速度的概念为了研究转换反射波的运动学特点 引入复合速度的概念 转换反射波的传播速度即与纵波速度又与横波速度有关 所谓复合速度是不必分离出纵波和横波 也就是不管波型是什么 用速度谱 或速度扫描 的方法由转换波资料直接得出的转换波叠加速度 用Vps表示 对水平地层也就是均方根速度 复合层速度有别于纵波的代替层速度 后者是多层介质中的概念 而复合速度既有诞辰的层复合速度又有多层的等效复合速度 一 基本原理 层复合速度 可用两个等效层来表示 将一个厚度为h的层等分为二 则得厚度相等 h 2 速度不同的两个层 波在第一层以纵波Vp速度传播 在第二层以横波Vp速度传播 这样就可把解决单层中非对称射线问题变为了两层介质对称的射线问题了 这时就可以利用均方根速度 V 的公式得出复合速度的表达式 一 基本原理 此处V1即为Vp V2即为Vs V即为Vps 由此可得出Vps Vp Vs 1 2若已知纵波速度 就可由此求出横波速度Vs 一 基本原理 4 横波的能量分配 a 0时 61 纵波能量向下透射 39 反射 b 近于临界角 33度 透射能量急剧减小 c 临界角后 所有能量都反射了 反射纵波能量占10 P SV波占90 d 0 90度 输入地下的横波能量为纵波能量的3倍 一 基本原理 2 地震各向异性多年来应用的地震勘探理论都是建立在各向同性 均匀 完全弹性介质的假设基础上 各向同性是指假设介质的弹性参数与波的传播方向无关 实际介质的弹性参数与波的传播方向有关 包括波传播的速度 振幅 偏振特性等 具有这种性质的介质叫各向异性介质 实际介质中存在着广泛的各向异性性质 油气勘探和开发中也是如此 一 基本原理 1 地震各向异性分类速度各向异性 波的传播速度与传播方向有关 在各向异性介质中 例如波沿着地层水平方向传播速度与沿着地层垂直方向传播速度不同 在地震勘探中 常见的各向异性介质可简化为两种 一种是横向各向同性 简称TI介质 它具有一个垂直对称轴 在垂直于对称轴的平面内 介质是各向同性的 在其它平面内 介质是各向异性的 如周期性的薄互层就属于此类 一 基本原理 1 地震各向异性分类另一种是方位各向异性 简称为EDA介质 它是由平行的垂直裂隙或定向的空隙所引起的 具有水平的无限次旋转轴的介质 还有其它的复杂的各向异性介质 一 基本原理 1 地震各向异性分类利用牛顿定理 广义虎克定律和应变位移方程 可以导出各向异性介质中的波动方程 利用这种波动方程 就可以研究各向异性介质中的弹性波的传播规律 这里我们先从正演模型来看各向异性情况下波场的特点 一 基本原理 1 地震各向异性分类 a TI介质中弹性波数值模拟 在均匀各向同性介质中 在同一时刻波场波前快照是个圆 表示波的传播速度各方向相同 而在各向异性介质中 波前是一个椭圆 表示波的传播速度各方向不同 一 基本原理 1 地震各向异性分类 b EDA介质中的三维弹性波数值模拟 在EDA介质中 考虑裂隙是垂直于地面的情况 理论研究表明 平行于裂隙面和垂直于裂隙面波前特征不同 首先 看平行于裂隙面的情况 取某一时刻的快照 有纵波和横波 它们的波前面都是圆 一 基本原理 1 地震各向异性分类 b EDA介质中的三维弹性波数值模拟 再看垂直于裂隙面的情况 取某时刻的快照 纵波和一个横波耦合在一起 称为准纵波 准横波 此时准纵波波前为菱形 而准横波为梅花状 另有一个纯横波波前面是椭圆 若既不平行也不垂直裂隙面 则波场更加复杂 一 基本原理 2 横波双折射横波的质点振动方向垂直于波的传播方向 通过传播介质时 可以引起特定方向的偏振 横波对各向异性介质很敏感 在各向异性介质中 每一条射线路径可以分裂成两种不同速度的偏振波 而且在后续的各向同性介质中 仍然保留下来 横波双折射方位各向异性介质中横波的分裂 一 基本原理 2 横波双折射这时出现两种横波 一种是沿平行于裂隙方向传播的S1波 一种是沿垂直裂隙方向传播的S2波 它们各自有对应的速度 前者传播的速度较快 叫快横波 后者传播的速度较慢 叫慢横波 一 基本原理 2 横波双折射由于传播的速度不同 在各向异性介质中形成快慢横波时差 振幅衰减等 这些都与各向异性性质有关 例如 裂隙方位和密度 因此可根据快 慢波的时差 波形 振幅衰减等反过来研究裂隙的方位和密度 一 基本原理 横波双折射特点 a EDA介质中弹性波地面地震记录模拟 一 基本原理 横波双折射特点 b EDA介质中弹性波VSP记录模拟第一层是各向同性介质 第二层是各向异性介质 第三层是各向同性介质 一 基本原理 小结 横波特点 1 垂直面内极化的SV波在界面上有二次波型转换 2 水平面内极化的SH波在界面上没有波型转换 也称自生波 3 转换横波P SV 二 横波的野外观测 3 多波采集方式 1 九分量采集真正的多波采集勘探是用三个震源 一个纵波 两个横波 激发 三分量检波器接收 这样可以得到九分量记录 二 横波的野外观测 3 多波采集方式 1 九分量采集这样可以得到九分量记录 二 横波的野外观测 3 多波采集方式 2 四分量记录在已作过纵波勘探的地区 可以采用四分量记录 即两个横波震源 两个横波检波器 二 横波的野外观测 3 多波采集方式 3 三分量记录一个纵波震源 三分量检波器 也叫转换波勘探 这样记录到耦合在一起的纵波 转换波 经过波场分离可得到纵波 转换横波 大大节省了采集费用和提高了效率 二 横波的野外观测 4 观测系统观测系统设计的主要参数包括最小炮检距 最大炮检距 道间距 覆盖次数和接收参数等 在资料处理中 缺少小炮检距的资料会降低速度分析对反射层的分辨率 而缺少大炮距的资料会降低速度分析对速度的分辨率 这都不利于确定精确的纵 横波速度比 这在设计观测系统时要加以考虑 1 最小炮检距 由于转换波在近炮检距的反射能量较弱 一般认为偏移距 最小炮距 应该加大 但是考虑到要接收纵波反射时 偏移距不宜过大 一般仍采用纵波观测系统所设计的偏移距 二 横波的野外观测 4 观测系统 2 最大炮检距 最大炮检距的选取一般与目的层的深度 目的层的转换波反射系数有关 由于转换波在大入射角时才会有足够的能量 所以 一般情况下 最大炮检距要比纵波勘探的最大炮检距大 3 其它如道间距 覆盖次数等参数与常规纵波勘探类似 4 由于转换波频率较低 接收仪器的频率要比接收纵波时低一些 二 横波的野外观测 波型与地震分量之间的关系 二 横波的野外观测 X为测线方向 Y为垂直测线方向 三 多波的资料处理 1 多波资料处理流程 三 多波的资料处理 1 波场分离 理论模型 三 多波的资料处理 1 波场分离 实际记录 三 多波的资料处理 2转换波资料处理流程 三 资料处理 1 P SV波的水平叠加问题 三 资料处理 2 共转换点道集选排a 转换波时距方程 三 资料处理 2 共转换点道集选排b 转换点的确定要把纵波的水平叠加技术应用到转换波中 必须找到真正的共转换点 关键是求时距方程中的xp 可推导出公式求出xp 三 资料处理 2 共转换点道集选排c 共转换点道集的抽取 三 资料处理 2 共转换点道集选排d 转换波速度分析由于在转换波的处理中 转换点坐标的计算与纵波 横波速度有关 而速度分析又需要转换点道集 因此转换波的速度又分为两部分内容 先在共中心点道集上作初步速度分析 后在转换点道集上进行精细速度分析 反复迭代可求得高精度的转换横波叠加速度 三 资料处理 2 共转换点道集选排d 转换波速度分析 三 资料处理 d 转换波速度分析 三次迭代速度谱图 三 资料处理 2 共转换点道集选排e 转换波水平叠加由于转换波路径不对称性 如要利用共转换点进行叠加 则在抽取道集时 要进行地面元的划分 面元划分的标准应当是在不影响分辨率的情况下 使得各个面元的覆盖次数尽量一致 使各面元上的炮检距变化范围一致 常规方法是以半个道间距为面元的宽度和面元中心间距来划分面元 三 资料处理 2 共转换点道集选排e 转换波水平叠加 四 横波资料的解释与应用 横波地震资料的解释工作一般要与纵波资料解释综合进行 横波地震资料除了复核依纵波资料所做的构造解释外 还可以从速度和振幅方面进行综合解释 由于横波传播速度低于纵波因而它的分辨率一般高于纵波 因而对小断层 砂体 尖灭及薄层等的分辨有其独特的功效 但横波勘探的更大潜力在于岩性研究 即联合应用纵 横波资料提取与岩性有关的信息直至直接寻找油气藏 四 横波资料的解释与应用 综合解释横波振幅 As 与纵波振幅 Ap 可帮助我们研究岩性 特别是判断亮点是不是含气层的反应效果较好 纵波亮 横波不亮的多半是气层 由提取出的纵横波速度比 v Vs Vp 可以推测砂泥岩的泥砂含量 以及求取岩石的弹性系数如 泊松比 等 据纵 横波的旅行时比 t 和速度比 v 之差异可鉴别岩层的各向异性 一般在均匀介质中 v t 若介质中 v t 则可推断此岩层是各向异性的 利用横波分裂 可研究裂隙 由于纵波对各向异性不敏感 横波比较敏感 在各向异性介质中横波速度随偏振方向而变 因而 反射系数也变 记录的振幅也会发生变化 一般平行裂隙速度大于垂直裂隙速度 可根据相应测线纵波闭合而横波不闭合来发现裂隙的存在 四 横波资料的解释与应用 1 横波和纵波层位的对比 四 横波资料的解释与应用 2 纵波和横波的联合应用 1 利用纵横波的振幅信息直接寻找油气a 直接检测 对于含水砂岩 纵波 横波均表示弱反射 对含煤砂岩 纵 横波均为强反射 但对于含气砂岩 纵波为强反射 横波为弱反射 这样就直接检测了气藏 一般纵波亮 横波不亮的多半是气层 因为纵横波振幅比取决于其反射系数 而研究表明 纵波的速度对气体比较敏感 即当砂岩中含有油气时 纵波反射系数会发生明显的变化 一般可下降20 故可造成亮点或暗点 而横波只在岩石骨架中传播 孔隙流体对横波反射系数没有什么影响 因此 这种纵波剖面亮而横波剖面不亮的情况可确定为因油气而引起的 此外 还可以利用纵波和横波反射系数比鉴别地层含气浓度的不同 四 横波资料的解释与应用 2 纵波和横波的联合应用 1 利用纵横波的振幅信息直接寻找油气a 直接检测 四 横波资料的解释与应用 2 纵波和横波的联合应用 1 利用纵横波的振幅信息直接寻找油气b 多波AVO 因为地震波振幅的变化与许多因素有关 多解性很强 如果不仅用纵波也用横波 转换波 就会大大减少多解性 多波AVO是将纵波和横波的AVO结合起来综合应用 不但可以去伪存真 还可以得到更多的岩石物理参数 并能提高有些参数的精度 四 横波资料的解释与应用 2 纵波和横波的联合应用 2 根据纵横波速度比 v 研究岩性变化 v Vs Vp与压实作用有关 深浅层可有很大变化 但在相似条件下 v变化可指示岩性的变化 一般灰岩 v为0 6 泥岩0 5 砂质粘土0 25 砂岩约0 58等 当岩石孔隙度增加 并含有油气时 Vs变化很小 Vp则明显下降 图7 4 3可利用 v值升高处预测油气藏的存在 v还能指示砂页岩的百分含量 一般页岩具有较高的值Vp Vs 2 7以上 砂岩含量越高则Vp Vs越小 所以 根据纵 横波速度比可以推测含砂量 四 横波资料的解释与应用 2 纵波和横波的联合应用 3 根据纵横波速度比 求岩石的弹性参数速度比 v与弹性参数和泊松比有关 这些常数也是不同介质的指示剂 故泊松比为 泊松比是表征岩石物性的一个重要参数 国内外资料表明 泊松比随压实程度 深度 增加而减小 并随岩性而变 泥岩较高 砂岩较低 含油后更低 泊松比横向上的变化反映了相变和油水边界 四 横波资料的解释与应用 得体积模量 切变模量 杨氏模量 可见 已知密度就能由纵 横波速度求得K E等参量 这些都是分辨岩性及各向异性的基本参数 2 纵波和横波的联合应用 3 根据纵横波速度比 求岩石的弹性参数 又由 四 横波资料的解释与应用 2 纵波和横波的联合应用 4 由波的旅行时比